全光扫描装置设计及实验研究

针对惯性约束聚变研究中高时间分辨测量的需求,详细分析并设计了一种新型的高时间分辨的全光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理,采用全光学元件,实现了全光器件的类条纹相机扫描功能。设计制作了具有棱镜结构和光偏转功能的全光扫描模块。以1053 nm激光为传输光,527 nm激光为泵浦光,完成了脉宽为8 ps的脉冲激光信号作用下的光偏转实验。从技术上验证了全光扫描技术的可行性。     

啁啾匹配和同步抖动对光参量啁啾脉冲放大的影响

 通过研究光参量啁啾脉冲放大过程转换效率随泵浦光啁啾参数的变化,以及信号光和泵浦光波长的对应关系,确立了信号光和泵浦光同步时实现线性啁啾匹配的方法。以磷酸二氢钾作为非线性晶体,研究了信号光和泵浦光之间的线性啁啾匹配和时间同步抖动对光参量啁啾脉冲放大后信号光脉冲波形和转换效率的影响。结果表明：在时间同步的情况下,线性啁啾匹配时的信号光脉冲波形很对称,转换效率也较高;在同步抖动程度一定的情况下,不同泵浦光啁啾参数时,信号光的增益及放大后的脉冲波形差异较大;在线性啁啾匹配程度一定时,信号光和泵浦光时间同步抖动越严重,放大信号光的脉冲波形变化越大,信号光增益越小,且转换效率也越低。     

超短电子脉冲的时空转换测量方法理论研究

分析了超快电子枪处于扫描状态下电子束的传输特性,对飞秒量级的超短电子束脉冲通过偏转扫描系统时的偏转距离等物理量进行了数值计算。计算结果显示:为确保电子束能够顺利通过偏转扫描系统并最后轰击直径为30 mm的荧光屏,必须加一个700~1400 V的初始电压,以便抵消负斜坡扫描电压的作用;700~1400 V的初始电压和负斜坡扫描电压的共同作用,是扫描实验成功的一个前提。扫描实验成功的另一个前提是激发光电阴极的光路和控制扫描的电路之间的同步。讨论了前提一带给同步实验的巨大困难,并设计了一个可以在扫描实验中以较高效率调节光路延时的实验系统,该系统可解决脉宽测量实验中扫描斜坡电压信号和超快电子脉冲的同步难题。     

皮秒短脉冲光参量啁啾脉冲放大中泵浦信号高精度同步主动控制技术研究

在皮秒短脉冲泵浦的光参量啁啾脉冲放大(ps-OPCPA)系统中,泵浦光与信号光之间的高精度时间同步是需要解决的关键问题之一.本文基于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的全OPCPA激光装置,对用于前端ps-OPCPA中泵浦光与信号光的高精度同步主动控制技术进行了详细研究.采用大啁啾信号光窄光谱光参量放大的主动反馈方式,通过合理设计反馈光路信号光的时域展宽啁啾系数,将泵浦光与信号光的同步时间抖动从ps量级降低至百fs量级的时间范围,从而极大地改善了前端ps-OPCPA的能量和光谱不稳定性:7 min测试时间内泵浦光与信号光相对同步时间抖动的均方根值(RMS)从458 fs改善至93 fs,输出能量RMS不稳定性从30.3%改善至3.15%,且维持光谱宽度大于100 nm的稳定宽光谱输出.     

宽量程高时间分辨扫描变像管

 为改善大偏转角度的偏转像质,设计了一种高时间分辨、大扫描长度的扫描变像管电子光学和行波偏转系统。对变像管后加速技术进行了实验研究,结合图像外增强技术,解决了大面积扫描图像的探测灵敏度问题,达到了同时扩展扫描变像管的时间量程和提高时间分辨力的目的,研制出了宽时间量程、高时间分辨力的扫描变像管。初步实验表明,在量程为5 ns时,时间分辨力达到5 ps,也就是时间分辨力与时间量程之比达到1/1 000。     

全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究

全光固体条纹相机采用空间调制抽运光激发平板波导光偏转器,通过精确控制抽运光和信号光之间的时间延迟,实现对入射到波导芯层信号光的偏转扫描.它能有效解决传统变像管条纹相机因空间电荷效应造成的动态范围降低以及光电阴极材料在红外波段探测受限等问题,且结构简单,系统稳定性高,理论时间分辨率可达皮秒甚至亚皮秒量级.本文围绕全光固体条纹相机的核心部件—–AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs平板波导光偏转器,研究了在带填充效应、带隙收缩效应以及自由载流子吸收效应作用下GaAs折射率的变化情况;在GaAs折射率变化达到0.01量级,信号光束斑大小和波导宽度之比p=0.5时,得到系统的理论时间分辨率为2 ps;按照静态实验条件求得的理论空间分辨率为17 lp/mm,实验结果显示其值为9 lp/mm.     

光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动对增益稳定性的影响

 在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下，给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下，对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响非常大,使放大信号光脉冲的增益光谱发生了明显的偏移，波形不对称和整个增益降低；并且信号光光谱越宽，光参量放大间的时间同步抖动对其增益影响越严重；但随着参量放大增益饱和的出现和加深，信号光和抽运光之间的同步时间抖动对放大信号光的输出强度影响减弱，即在饱和放大处可以获得更稳定的放大信号光输出。     

啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究

 根据啁啾脉冲激光参量放大技术,数值模拟了光参量放大在啁啾脉冲放大中的应用。研究啁啾脉冲参量放大增益及时间特性,特别是在大信号注入与小信号注入两种有代表意义的情况下,详细地分析了群速度失配、相位失配对放大过程的影响。研究了泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求,讨论了放大系统的稳定性。     

基于空间光调制器的光束大角度扫描技术研究

为实现一束激光在90°锥形范围内的扫描，利用液晶空间光调制器在光束偏转控制时精度高、无机械惯性等优点，研究并建立了基于液晶空间光调制器的光束偏转和角放大光路系统。提出了空间光调制器的可编程相位调制算法和角放大光路结构，推导了空间光调制器光束偏转角度与相位灰度驱动图的关系，设计了角度放大倍率高于22倍的角放大光路系统。在此基础上，建立了光束扫描控制实验系统，对该装置角度出射范围进行了测量，将实际的角放大倍率与设计值进行对比。实验结果表明:研制系统的出射视场角可达91.22°，并可通过畸变校正实现出射视场角范围内的规则形状扫描。该研究在光束敏捷控制、无线激光通信、目标搜索与追踪等领域具有重要的研究价值和应用前景。     

稳定高质量光参量啁啾脉冲放大系统优化设计

要实现光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统稳定、高质量输出,需要同时对光参量放大和泵浦光倍频这两个非线性过程进行优化设计。在光参量放大系统优化设计中,建立了描述光参量放大过程的多种简化物理模型;通过模拟泵浦光和信号光口径匹配关系,分析了放大信号光空间两维对称性并提出了优化方法;建立了非线性晶体最佳长度确定及调谐方法,以实现信号光输出高稳定性。在泵浦光倍频系统优化设计过程中,提出应用位相失配法实现稳定倍频输出,研究表明这种方法不仅能实现倍频光能量起伏抖动远远小于基频光能量的起伏抖动,而且能减小泵浦光近场调制度和时间波形调制,极大地改善输出倍频光光束质量,进而提高OPCPA系统输出信号光质量。     

Phase matched scanning optical parametric chirped pulse amplification based on pump beam deflection

Combined with the optical beam deflection, a novel approach of phase matched broadband scanning optical parametric chirped pulse amplification(OPCPA) was proposed. For this scheme, there was no superfluous operations to the chirped signal pulse which propagated in a changeless direction straightforward, but the pump beam were deflected in space with time by passing through a KTN crystal, which was applied with varied driving voltage. The theories of phase matching of each chirped signal frequency based on pump beam deflection was analyzed detailedly. And the type-I amplification of chirped signal with 800 nm central wavelength and 20 nm bandwidth pumped by 532 nm in BBO crystal was simulated as a case in point. The simulation results showed that the spectral distribution of chirped signal pulse was almost the same as the initial form, i.e., there was nearly no narrowing on the amplified spectrum by using of the scanning OPCPA based on pump beam deflection. In addition, the simulations demonstrated that it was worth minimizing the voltage deviation applied to KTN crystal as much as possible for the sake of better waveform, larger bandwidth and higher conversion efficiency of amplified signal pulse in the proposed scanning OPCPA.     

Ultrafast optical beam deflection in a pump probe configuration

Propagation of a signal beam in an Al Ga As/Ga As waveguide multiple-prism light deflector is theoretically investigated by solving the scalar Helmholtz equation to obtain the dependences of the temporal and spatial resolvable characteristics of the ultrafast deflector on the material dispersion of Ga As including group velocity dispersion and angular dispersion,interface reflection,and interface scattering of multiple-prism deflector.Furthermore,we experimentally confirm that,in this ultrafast beam deflection device,the deflecting angle of the signal light beam is linear with the pump fluence and the temporal resolution of the ultrafast deflection is 10 ps.Our results show that the improvement of the temporal and spatial resolvable performances is possible by properly choosing the structural parameters and enhancing the quality of the device.     

Stochastic analysis of synchroscan operations of a streak camera

This paper deals with a theoretical and experimental study of the picosecond synchronization of a streak camera used in conjunction with a cw actively mode-locked laser system. The temporal resolution of two synchronization set-ups, a passive device (sweep obtained directly from the mode-locker oscillator) and an active arrangement (deflection derived from the recurrent laser pulses through a photodiode and a tunnel diode) has been examined. On the basis of the stochastic analysis it has been possible to interpret the experimental results for both configurations: in particular, it has been demonstrated that even in the presence of phase noise in the laser signal, perfect synchronization can be achieved.     

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变（或温度）的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。     

基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统

报道了一种基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统(Brillouin optical time domain analyzer,BOTDA).利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大以补偿光纤损耗及布里渊抽运波的消耗,从而使光纤后端的测量分辨率得到改善,测量分辨率在整段传感光纤趋于一致,同时避免了调制不稳定性引起的频谱扩展,克服了传统BOTDA存在的信号强度指数下降的弊端,使传感精度得到进一步提高.实验实现了50 km传感距离, 温度分辨率达0.6 ℃,空间分辨率为50 m.实验测量并分析了基于双向拉曼放大的BOTDA信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼放大 布里渊增益 布里渊光时域分析     

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

对国内激光惯性约束聚变（ICF）领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps、空间分辨优于10 μm、能区10～30 keV的需求，从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度，比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs，全光分幅的时间分辨可以达到5 ps，空间分辨可以达到5 μm。该系统的主要部件为光学器件，在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜，其采用STTS构型，可将空间分辨提高到3 μm，满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps，作为一种正在发展的技术，对此进行了较为全面的分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展，其空间分辨可以达到20～25 μm。计算成像作为一个全新的分支，最近引起了ICF领域的广泛关注。着重介绍了三维光场技术和在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像（CUP）技术，对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。